沙子变"黄金"! 揭秘神秘的CPU Core i7制造全过程（图）

Francis

下面详细展示了Intel从沙子到芯片的全过程，满足你的好奇心。
简单地说，处理器的制造过程可以大致分为沙子原料(石英)、硅锭、晶圆、光刻(平版印刷)、蚀刻、离子注入、金属沉积、金属层、互连、晶圆测试与切割、核心封装、等级测试、包装上市等诸多步骤，而且每一步里边又包含更多细致的过程。
下边就图文结合，一步一步看看主要的过程：
沙子：硅是地壳内第二丰富的元素，而脱氧后的沙子(尤其是石英)最多包含25％的硅元素，以二氧化硅(SiO2)的形式存在，这也是半导体制造产业的基础。


硅熔炼：12英寸/300毫米晶圆级，下同。通过多步净化得到可用于半导体制造质量的硅，学名电子级硅(EGS)，平均每一百万个硅原子中最多只有一个杂质原子。此图展示了是如何通过硅净化熔炼得到大晶体的，最后得到的就是硅锭(Ingot)。


单晶硅锭：整体基本呈圆柱形，重约100千克，硅纯度99.9999％。


硅锭切割：横向切割成圆形的单个硅片，也就是我们常说的晶圆(Wafer)。顺便说，这下知道为什么晶圆都是圆形的了吧？


晶圆：切割出的晶圆经过抛光后变得几乎完美无瑕，表面甚至可以当镜子。事实上，Intel自己并不生产这种晶圆，而是从第三方半导体企业那里直接购买成品，然后利用自己的生产线进一步加工，比如现在主流的45nm HKMG(高K金属栅极)。值得一提的是，Intel公司创立之初使用的晶圆尺寸只有2英寸/50毫米。


光刻胶(Photo Resist)：图中蓝色部分就是在晶圆旋转过程中浇上去的光刻胶液体，类似制作传统胶片的那种。晶圆旋转可以让光刻胶铺的非常薄、非常平。


光刻一：光刻胶层随后透过掩模(Mask)被曝光在紫外线(UV)之下，变得可溶，期间发生的化学反应类似按下机械相机快门那一刻胶片的变化。掩模上印着预先设计好的电路图案，紫外线透过它照在光刻胶层上，就会形成微处理器的每一层电路图案。一般来说，在晶圆上得到的电路图案是掩模上图案的四分之一。


光刻二：由此进入50-200纳米尺寸的晶体管级别。一块晶圆上可以切割出数百个处理器，不过从这里开始把视野缩小到其中一个上，展示如何制作晶体管等部件。晶体管相当于开关，控制着电流的方向。现在的晶体管已经如此之小，一个针头上就能放下大约3000万个。


溶解光刻胶：光刻过程中曝光在紫外线下的光刻胶被溶解掉，清除后留下的图案和掩模上的一致。


蚀刻：使用化学物质溶解掉暴露出来的晶圆部分，而剩下的光刻胶保护着不应该蚀刻的部分。


清除光刻胶：蚀刻完成后，光刻胶的使命宣告完成，全部清除后就可以看到设计好的电路图案。


光刻胶：再次浇上光刻胶(蓝色部分)，然后光刻，并洗掉曝光的部分，剩下的光刻胶还是用来保护不会离子注入的那部分材料。


离子注入(Ion Implantation)：在真空系统中，用经过加速的、要掺杂的原子的离子照射(注入)固体材料，从而在被注入的区域形成特殊的注入层，并改变这些区域的硅的导电性。经过电场加速后，注入的离子流的速度可以超过30万千米每小时。


清除光刻胶：离子注入完成后，光刻胶也被清除，而注入区域(绿色部分)也已掺杂，注入了不同的原子。注意这时候的绿色和之前已经有所不同。


晶体管就绪：至此，晶体管已经基本完成。在绝缘材(品红色)上蚀刻出三个孔洞，并填充铜，以便和其它晶体管互连。


电镀：在晶圆上电镀一层硫酸铜，将铜离子沉淀到晶体管上。铜离子会从正极(阳极)走向负极(阴极)。


铜层：电镀完成后，铜离子沉积在晶圆表面，形成一个薄薄的铜层。


抛光：将多余的铜抛光掉，也就是磨光晶圆表面。


金属层：晶体管级别，六个晶体管的组合，大约500纳米。在不同晶体管之间形成复合互连金属层，具体布局取决于相应处理器所需要的不同功能性。芯片表面看起来异常平滑，但事实上可能包含20多层复杂的电路，放大之后可以看到极其复杂的电路网络，形如未来派的多层高速公路系统。


晶圆测试：内核级别，大约10毫米/0.5英寸。图中是晶圆的局部，正在接受第一次功能性测试，使用参考电路图案和每一块芯片进行对比。

Francis

晶圆切片(Slicing)：晶圆级别，300毫米/12英寸。将晶圆切割成块，每一块就是一个处理器的内核(Die)。


丢弃瑕疵内核：晶圆级别。测试过程中发现的有瑕疵的内核被抛弃，留下完好的准备进入下一步。


单个内核：内核级别。从晶圆上切割下来的单个内核，这里展示的是Core i7的核心。


封装：封装级别，20毫米/1英寸。衬底(基片)、内核、散热片堆叠在一起，就形成了我们看到的处理器的样子。衬底(绿色)相当于一个底座，并为处理器内核提供电气与机械界面，便于与PC系统的其它部分交互。散热片(银色)就是负责内核散热的了。


处理器：至此就得到完整的处理器了(这里是一颗Core i7)。这种在世界上最干净的房间里制造出来的最复杂的产品实际上是经过数百个步骤得来的，这里只是展示了其中的一些关键步骤。


等级测试：最后一次测试，可以鉴别出每一颗处理器的关键特性，比如最高频率、功耗、发热量等，并决定处理器的等级，比如适合做成最高端的Core i7-975 Extreme，还是低端型号Core i7-920。


装箱：根据等级测试结果将同样级别的处理器放在一起装运。



零售包装：制造、测试完毕的处理器要么批量交付给OEM厂商，要么放在包装盒里进入零售市场。这里还是以Core i7为例。


好了, 终于说完了. 需要说明的是上面的过程只是主要的过程,实际上每一步还有更细致的过程.在整个生产流程中, 使用了大量的极其昂贵和精密的制造设备和检测设备. 虽然沙子原料不值钱, 但是最主要的成本是设备的投资和其中研发设计的费用, 是极其庞大的投资...

wang7711

怎么复杂
怎么专业
该他赚大钱了

左巍

以后卖沙子去吧。

luwen

学习了……

李伟波

这种技术具说全世界也只是屈指可数的几家公司能掌握。

冷峻如山

无锡742厂做了几十年了。

沙木

742 厂在1979 年与南韩三星同时引进东芝公司的IC 生产线，现在三星已经成为全世界最大的半导体生产商之一，而742这个拥有世界最大半导体市场的IC 工厂却会在引进十周年时因为缺乏技术创新而倒闭。

Francis

原帖由 冷峻如山 于 2009-9-30 00:44 发表
无锡742厂做了几十年了。

国内自80年代后引进的半导体生产线很多, 但是,半导体行业是个全球性竞争的行业, 是资金和技术双密集性行业, 国内这么多线的命运大抵相同, 就是刚量产时尚能出一些产品, 但是很快产品就步入主流市场之外, 更可怕的是, 只要本代工艺没有跟上并赢利,那么在主流行业换代的时候就面临着非常尴尬的局面, 投资下一代的话,投资额是本代投资的好多倍(多数是几何指数增长),本来就没还没赚回本钱,怎么去投下一代;但是,不投入下一代的话,就无法进入主流的市场,结果还是被淘汰...
国内目前在产的最先进的生产线是台湾台积电投资的中芯国际,12英寸的晶圆, 我有一些朋友在那里,多年过去了,他们现在还是在困境中挣扎,除了技术,没有把生产的芯片卖到全世界的能力也是死路一条,这也不是国人所擅长的...
对于技术,半导体行业的特点很明显, 就是大多数人都知道应该怎么生产出来,但是就是很难以合理的成本生产出来, 半导体工艺就像走钢丝一样, 上千个工艺都很微妙,只要差了一点,结果就不是一点,而是报废...
所以半导体行业也是国人性格里最不适合从事的行业...
美国无疑在半导体行业拥有最多的技术和工艺, 但是台湾20年的进步很快,所以像台积电这样的企业现在拥有世界上最先进的生产工艺,现在IBM仍然拥有世界上最先进的半导体工艺的专利;美国的半导体制造业最后崩溃了,放弃生产这一块,只搞设计,把设计交给台积电生产,包括计算机的芯片组,台积电也知道自己的角色,就是自己从不生产自己的设计的芯片(虽然他们现在也能设计部分芯片),避免和自己的客户竞争...
但是即便是这样, 主流计算机CPU的生产仍然代表了最先进的设计和制造技术,所以INTEL是少数自己设计和制造CPU的企业.

yigai

有没有中国的山寨版的，呵呵。

Baron

哇咔咔咔咔咔咔咔咔，原来我每天用的 i7是沙子做的啊，不过速度还是不错的，这个一定要赞一下！